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1、焊锡资料（焊锡资料（7 7）- -波峰焊点界面断裂失效机理波峰焊点界面断裂失效机理摘要：本文介绍了在波峰焊条件下出现的 BGA 焊点开焊现象，通过采用染 色起拔、金相切片、SEM 等分析发现为一种典型的界面断裂失效现象。非对称 表面处理的焊点结果使得出现了 NiSnCu 的三元合金，失效分析针对集中典型失 效机理展开，例如二次回流、三元合金等。 BGA 封装由于其效率、功能等方面的优势已经广泛应用于各种电子产品；而在 中低档的电子产品中，由于考虑到设计成本的因素，仍然广泛的采用了回流焊 和波峰焊双面混装的工艺路线。由于波峰焊工艺带来 的对 PCBA 组件的瞬时温 度冲击以及局部热应力问题，给
2、BGA 的应用带来了一定的质量和可靠性问题， 研究和分析其可能存在的失效机理，对于提升产品寿命、减少市场失效有着十 分重要的意义。 在本文研究的案例中，发现 Top 面的 BGA 封装经历了波峰焊工艺之后，在可靠 性测试中出现了较多的早期失效，通过采用故障定位、无损分析、切片分析以 及微观分析的多种分析手段，对各种可能的失效机理进行了研究，得出了产生 该失效的根本原因。1 无损分析 某设计采用了 BGA 封装（基板表面处理为 NiAu 镀层，PCB 表面处理为 HASL，焊 球和焊料均为 SnPb 共晶合金）。 在 Top 面回流焊接，而 Bottom 面采用波峰焊 接的工艺路线，组装完成后功
3、能测试正常。但是在随后进行的 DVT 测试中，发 现 BGA 封装的 CPU 芯片在温度循环测试中出现了早期失效，功能时断时续，通 过按压的方式能暂时恢复功能。采用 IV 曲线和 TDR 的测试，故障可以被定位到 该 BGA 附近，初步判断为 BGA 的焊点附近出现了开路失效。进一步的采用 Ersa Scope 以及 3D Xray 对该 BGA 进行 观察分析，如同图 2 所示，没有发现 BGA 焊点和 PTH 的明显 异常。需要采用有损的方式对该失效进 行进一步的分析。2 染色起拔和断口分析 对该 BGA 器件进行染色起拔试验，发现大多数焊点从焊盘与 PCB 基材之间出现 分离（图 3）；
4、但是故障网络上的焊点出现平整的脆性断口，且整个断口被红 色染色剂染色，证实该位置的焊点在起拔之前已经完全分离，分离界 面为封装 基板侧和焊点之间。同时，在该 BGA 器件中，还有另外的几个焊点呈现相似的 脆性断口形貌（图 4）。染色剂的分布显示，部分焊点在起拔试验之前出现了 全部或者部分的断裂，也有部分焊点为起拔试验过程中出现的脆性断裂。基于以上的试验可以证实，该功能失效是由于 BGA 器 件部分焊点在测试过程中出现了焊点界面的脆性断裂所导 致，因此有必要对脆性断口的界面进行进一步 的分析。采用 SEM 对脆性断口分析，显示脆性断裂界面形貌为 沙石状的基底上 分布着离散的三棱状状结构，采用 E
5、DX 进行 成份分析表明：沙石状主要为 Ni、Sn 元素，也发现了微量 的 Cu 元素；而三棱柱状的主要为 Ni、Sn、Cu 元 素。 对该 BGA 上其他焊点采用 5% HNO3 溶液将 SnPb 焊料去除后观察界面，结果在器 件的封装基板侧均发现了在沙石状的基底 IMC 上着镶嵌有粗大的棱状物，除前 述的三棱柱状外，还 包括实心和空心的六棱柱状结构，经 EDX 分析 都可以被 确认为 Ni-Sn- Cu 三元 IMC ( 图 6 和图 7）。这些结构与 Jeong Won Yoon1等人观察到的现象一致；中空六棱柱状 Ni-Sn- Cu IMC 与 Kim2报道的 SAC 焊点内部发现的
6、Cu6Sn5 结构类似；而 D.Z.Li3 的研究采用 EBSD(背 散射电子衍射)获得了 Ni-Sn-Cu 的衍射花样，证实了其晶 体结构与 Cu6Sn5 一致。 基于以上的研究和本研究的结果可以得出： （1）在焊点结构中同时出现 Ni、Cu 元素时，将导致 Ni- Sn-Cu 三元合金的出 现，这是一种普遍现象； （2）热力学分析表明4：稳态条件下，即可能形成三元 IMC Ni26Cu29Sn45（固定成分）；由于焊接过程的瞬时 热冲击和局部的热效应作用， 导致焊接条件下形成的三元 IMC 首先表面为非稳态结构； （3）由于 Cu 的扩散能力较之 Ni 强，因此在靠近 Ni 界面的 IMC
7、 中容易发现 Ni-Sn-Cu 的三元合金；Ni（NiCu）3Sn4 与（CuNi）6Sn5 几乎同时生成5，前 者比较连续，而后者不连续；它们分别由 Cu 或者 Ni 元素在 Ni3Sn4 与 Cu6Sn5 结构中固溶而成； （4）六棱柱是 Ni-Sn-Cu 的稳定结构，接近 Cu6Sn5 的晶体结构，其实心、空心 的状态取决于个体。IMC 形核后首先 形成中空六棱柱结构，此后若趋向于纵向 生长，则保持中 空；若横向生长，则变为实心。实际观察到长而直的 IMC 往往 是中空结构，而短的 IMC 往往是实心，为这一说法提供了佐证； （5）三棱柱结构的形成以及沙石状（NiCu）3Sn4 的结构形
8、态分析还没有明确 的结论； （6）业界对 Ni-Sn-Cu 对焊点可靠性的影响有较多的研 究610。 Qalcomm、Solectron、Siemense、UIC 均发现三 元 IMC 引起的脆性断裂，主要 原因是 Ni-Sn-Cu 与 Ni-Sn 之间结合不良，而 Solectron 还认为会导致重熔时缩 锡；也有 Jeong-Won Yoon 等认为不存在可靠性风险，Philips 甚至发 现 Cu- Ni-Sn 的形成可以改善金脆。但是在本研究中，并不能证实该三元合金是造成 焊点早期失效的唯一因素。3 金相切片分析 断口分析的结果显示 Ni-Sn-Cu 的三元合金并不是本次失效的根本原因
9、，因此继 续对失效样本进行切片分析。 在本失效分析研究中，观察功能测试怀疑失效的焊点，可以发现这些焊点的组 织基本正常（图 8），焊点和 BGA 封装基板出现断裂现象，但是焊点和 PCB 侧 焊盘连接正常，靠近 PCB 侧焊盘的组织出现轻微的粗化现象。采用 SEM 对切片 进行观察，可以证实前期断口分析和染色起拔试验的结果，分离界面为 IMC 和SnPb 焊点之间。对切片进行分析， 还可以发现另外的两类组织结 构图片，一类主要位于器件 四周，或者距离孔十分近的位置且用大焊盘连接；这些焊点显示出从 BGA 封装 基板 处向 PCB 侧的晶粒生长方向性，初步判断在波峰焊过程中出现了重熔现象 （图
10、9），由于波峰焊接时热量从底部向上传导，因此器件侧温度低 于 PCB 侧， 焊点重熔之后冷却结晶时，晶粒首先在靠近器件侧的位置萌生。另外一类焊点组织形貌出现了明显的局部重熔的形貌，如图 10 所示，可以在靠 近 PCB 侧焊盘位置的附近发现晶粒组织细小，而其上部靠近封装基板侧的晶粒 组织粗大，两种组织将焊点清晰地分为两个部分。这种形貌的焊点占到了整个 器件焊点的 50以上，而且没有发现任何的焊点开裂或者裂纹萌生的现象。这是由于波峰焊属于瞬时的热传递过程，在波峰焊过程中，过孔的热传导作用 比较明显。在完成波峰焊之前，过孔传递的热量不足以融化整个焊点，因此出 现了靠近 PCB 焊盘的下侧焊点达到
11、SnPb 焊点的熔点 18 而重熔，晶粒组织细 化；上侧焊点仅仅受到热的作用发生组织粗化；出现了典型的混合形貌特征。 第三类焊点分布比较离散，较多的 PCB 焊盘附近都有孔出现。 对失效焊点进行进一步的分析，可以发现这些焊点都 通过长走线和过孔相连， 走线长度远远大于其他与过孔相 连的焊点。从设计文件上可以看出（图 11）， 这些焊点的 PCB 侧焊盘都通过长走线与过孔相连，将电信号传向内层。 由于过 孔距离较远，这些焊点接受过孔传递的热量较少，温度相对较低；焊点没有出现重熔现象，即使是靠近 PCB 侧的焊点组织粗化现象也十分轻微。而且数据分 析表明，走线距离越长的焊点失效概率越高。4 结论
12、综合以上现象可以获得以下结论： （1）切片显示焊点断裂为过应力失效模式，分离界面为 IMC 和焊点之间； （2）在波峰焊条件下，Top 面的 BGA 焊点组织形貌与其设计强相关，其位置以 及与过孔之间连线的长度等都是影响其组织形貌的关键因素； （3）根据设计影响因素和实际波峰焊焊接条件，本研究中出现了焊点完全重熔、 部分重熔部分粗化的混合模式以 及轻微粗化三种形貌特征，多数焊点呈现出混 合模式特征； （4）失效焊点距离走线距离最长，温度最低，没有重熔现象。 采用 F E M 对该封装结构进行简单的分析可以发现，无论是由于 PCB 变形导致 焊点受到的机械完全应力，还是由于 CTE 失配导致的循
13、环疲劳应力条件下，失 效焊点位置都不是风险点（图 12），因此可以证实在外界应力作用下，如果焊 点的强度相同，这些位置的焊点应该不是首先失效的焊点。基于这些分析，可以证实失效位置处焊点的强度远 远低于其他位置的焊点强度； 在 DVT 测试中，失效首先在这些薄弱位置出现。为什么这些焊点是强度薄弱点 呢？这是由于这些焊点距离过孔较远，波峰焊时温度较低未发生重熔；而周围 焊点发生全部或者局部重熔；而波峰焊过程中，由于热冲击和局部热效应的影 响，BGA 器件及 PCB 产生局部变形并产生应力，由于多数焊点重熔具备自由伸 缩能力，因此所有应力加载于个别未重熔焊点，导致该焊点出现裂纹萌生或开 焊；这些焊点在后续测试过程中出现早期失效。- 本司专业供应焊锡退锡助剂系列： 1. 纸带分离剂（粉） ，化学退锡助剂，电解退锡助剂。 2. 助焊剂用活性剂，锡渣（灰）还原粉，锡炉除铜粉。 如有技术问题，请与叶生联系。 联系电话：0769-88333445 13713082325 QQ 号：1353269619. 地址：广东省东莞市道滘镇大罗沙村横街 1 巷 19 号
